นัฐวุฒิ อ่องอ้น โรงเรียนเมืองเชลียง

การแพร่ (diffusion) ของโมเลกุลของสารเป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลจากจุดที่มีความเข้มข้นสูงกว่า ไปยังจุดที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า การเคลื่อนที่นี้เป็นไปในลักษณะทุกทิศทุกทาง โดยไม่มีทิศทางที่แน่นอนผลจากการเคลื่อนที่อันนี้จะทำให้ความเข้มข้นของโมเลกุลของสารในภาชนะที่มีเนื้อที่จำกัดนั้น มีความเข้มข้นเท่ากันหมดตัวอย่างของการแพร่ที่พบได้เสมอ คือ
ก.การแพร่ของเกลือในน้ำ
ข.การแพร่อขงน้ำหอมในอากาศ
นอกจาก 2 ตัวอย่างทียกมาให้ดูแล้วยังมีตัวอย่างอีกมากมายที่เราพบได้ในชีวิตประจำวัน เช่น การฉีดดีดีทีฆ่าแมลง การเติมน้ำตาลลงในถ้วยกาแฟ การหยดหรือแต่น้ำหอมตามเสื้อผ้า กลิ่นลูกเหม็นกันแมลง ควันจากท่อไอเสียรถยนต์ เป็นต้น
ในปีค.ศ. 1828 (พ.ศ. 2371) รอเบิร์ต บราวน์ ได้สังเกตปรากฏการณ์อย่างหนึ่ง โดยพบว่า เมื่อเกสรดอกไม้ตกลงในน้ำ เกสรนั้นจะมีการเคลื่อนที่อย่างไม่มีทิศทางแน่นอนต่อมาจึงเรียกการเคลื่อนที่อย่างไม่มีทิศทางแน่นอนหรือ ไร้ทิศทางนี้ ว่า การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian movement) และแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้ให้เหตุผลว่า การเคลื่อนที่ของเกสรดอกไม้ที่เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนนั้นเกิดจากโมเลกุลของน้ำเคลื่อนที่เข้าชนเกสรดอกไม้อยู่ตลอดเวลา ทำให้เกสรดอกไม้เคลื่อนที่ได้
การแพร่เกิดจากพลังงานจลน์ (kinetic energy) ของโมเลกุลหรือไอออนของสาร ทำให้เกิดการเคลื่อนที่และกระทบกระทั่งหรือชนกันโดยบังเอิญเป็นผลให้เกิดการกระจายในทุกทิศทุกทาง บริเวณที่มีความเข้มข้นของโมเลกุลหรือไอออนน้อยกว่า จนทำให้ทุกบริเวณมีความเข้มข้นของโมเลกุลหรือไอออนเท่ากัน จึงเรียกว่า ภาวะสมดุลของการแพร่ (diffusion equilibrium) ในภาวะเช่นนี้สารต่าง ๆ ก็ยังมีการเคลื่อนที่อยู่แต่อยู่ในลักษณะที่ไปและมาหรือออกเข้าในจำนวนที่เท่า ๆ กัน

ปัจจัยที่มีผลต่อการแพร่
ความเร็วของการแพร่จะมากหรือน้อย เร็วหรือช้าขึ้นอยู่กับ
1.อุณหภูมิ ในขณะที่อุณหภูมิสูง โมเลกุลของสารมีพลังงานจลน์มากขึ้น ทำให้โมเลกุลเหล่านี้เคลื่อนที่ได้เร็วกว่า เมื่ออุณหภูมิต่ำ การแพร่จึงเกิดขึ้นได้เร็ว
2.ความแตกต่างของความเข้มข้น ถ้าหากมีความเข้มข้นของสาร 2 บริเวณ แตกต่าง แตกต่างกันมากจะทำให้การแพร่เกิดขึ้นได้เร็วขึ้นด้วย เนื่องจากบริเวณที่มีความเข้มข้นมากโมเลกุลมีโอกาสชนและกระแทกกันมากทำให้โมเลกุลกระจายออกไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นน้อยกว่าได้เร็วกว่า เมื่อความเข้มข้นใกล้เคียงกัน
3.ขนาดของโมเลกุลสาร สารที่มีขนาดโมเลกุลเล็กจะเกิดการแพร่ได้เร็วกว่าสารโมเลกุลใหญ่ เนื่องจากสารโมเลกุลเล็กสามารถแทรกไประหว่างโมเลกุลของสารตัวกลางได้ดีกว่าสารโมเลกุลใหญ่ สารโมเลกุลเล็กจึงแพร่ได้ดี
4.ความเข้มข้นและชนิดของสารตัวกลาง สารตัวกลางที่มีความเข้มข้นมากจะมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของตัวกลางของตัวกลาง ทำให้โมเลกุลของสารเคลื่อนที่ไปได้ยาก แต่ถ้าหากสารตัวกลางมีความเข้มข้นน้อยโมเลกุลของสารก็จะเคลื่อนที่ได้ดีทำให้การแพร่เกิดขึ้นเร็วด้วย

สารต่าง ๆ สามารถผ่านเข้าออกเยื่อเซลล์ได้ในอัตราเร็วที่แตกต่างกัน น้ำเป็นสารที่ผ่านเยื่อเซลล์ได้ดีที่สุดรองลงมาเป็น ก๊าซที่ละลายน้ำ สารอินทรีย์ สารประจุลบ และสารประจุบวก ซึ่งมีอัตราเร็วในการผ่านเยื่อเซลล์ได้น้อยที่สุด กลไกในการผ่านของสารต่อเยื่อเซลล์นั้นแบ่งออกได้เป็น 3 แบบ คือ
1.การแพร่ผ่านเยื่อเซลล์ โดยการละลายตัวกับเยื่อเซลล์ เนื่องจากเยื่อเซลล์ประกอบด้วยไขมันเป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นสารที่ละลายในไขมันจึงแพร่ผ่านเยื่อเซลล์ได้ดีกว่าสารที่ละลายในไขมันไม่ได้
2.การแพร่ผ่านรูของเยื่อเซลล์ เนื่องจากบริเวณรูของเยื่อเซลล์มีสารพวกโปรตีนบุอยู่ ดังนั้นพวกสารโมเลกุลเล็ก ๆ เช่นน้ำ และสารที่ละลายไม่ได้ในไขมันจะผ่านเข้าออกทางนี้ โปรตีนเป็นสารมีประจุบวก ดังนั้นสารที่มีประจุลบจึงสามารถผ่านเข้าออกทางรูนี้ได้ดีกว่าสารประจุบวก
3.การแพร่ผ่านเยื่อเซลล์โดยการรวมตัวกับตัวพา โดยเชื่อว่าที่เยื่อเซลล์มีสารบางชนิดทำหน้าที่เป็นตัวพา (carrier) ซึ่งจะรวมตัวกับสารและทำให้เกิดการนำสารนั้นเข้าสู่เซลล์ได้เร็วกว่าปกติ การนำกรดอะมิโนและกลูโคสเข้าเซลล์ ซึ่งเกิดขึ้นเร็วกว่าการแพร่แบบธรรมดามาก จึงเรียกการแพร่ของกลูโคสและกรดอะมิโนว่าการแพร่โดยมีตัวช่วย หรือการแพร่แบบฟาซิลิเทต (facilitated diffusion)

ออสโมซิส
เป็นการแพร่ของเหลวผ่านเยื่อบาง ๆ ซึ่งตามปกติจะหมายถึง การแพร่ของน้ำผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ (cell membrane) เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์มีคุณสมบัติในการยอมให้สารบางชนิดเท่านั้นผ่านได้ การแพร่ของน้ำจะแพร่จากบริเวณที่เจือจางกว่า (มีน้ำมาก) ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นกว่า (มีน้ำน้อย) ตามปกติการแพร่ของน้ำนี้จะเกิดทั้งสองทิศทาง คือ ทั้งบริเวณเจือจาง และบริเวณเข้มข้น แต่เนื่องจากน้ำบริเวณเจือจางแพร่เข้าสู่บริเวณเข้มข้นมากกว่า จึงมักกล่าวกันสั้น ๆว่า ออสโมซิสเป็นการแพร่ของน้ำจากบริเวณที่มีน้ำมาเข้าไปสู่ในบริเวณที่มีน้ำน้อยกว่าโดยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
แรงดันออสโมติกเกิดจากการแพร่ของน้ำจากบริเวณที่มีน้ำมาก (เจือจาง) เข้าสู่บริเวณที่มีน้ำน้อย (เข้มข้น) แรงดันของน้ำนี้จะดันให้ของเหลวขึ้นไปในหลอดได้ ในขณะที่ยังไม่สมดุลของเหลวก็จะขึ้นไปบนหลอดได้เรื่อย ๆ และเมื่อเกิดการสมดุลระดับของของเหลวในหลอดจะคงที่ แรงดันออสโมติกของสารละลายแต่ละชนิดจะแตกต่างกัน น้ำบริสุทธิ์เป็นของเหลวที่มีแรงดันออสโมติกต่ำสุด สารละลายที่เจือจางจะมีแรงดันออสโมติกต่ำส่วนสาระละลายที่เข้มข้นมาจะมีแรงดันออสโมติกสูงมากด้วย
ในกรณีของเซลล์ ถ้าใส่เซลล์ลงในสารละลายที่มีความเข้มข้นต่างกันจะมีผลต่อเซลล์แตกต่างกันด้วยจึงทำให้แบ่งสารละลายที่อยู่นอกเซลล์ออกได้เป็น 3 ชนิด ตามการเปลี่ยนขนาดของเซลล์ เมื่ออยู่ภายในสารละลายนั้น คือ
1.ไฮโพทอนิก โซลูชัน (hypotonic solution) หมายถึง สารละลายนอกเซลล์ที่มีความเข้มข้นน้อยกว่าเซลล์ ดังนั้นเมื่อใส่เซลล์ในสารละลายชนิดนี้จะทำให้เซลล์ขยายขนาดเพิ่มขึ้น เนื่องจากน้ำภายในสารละลายแพร่เข้าสู่เซลล์มากกว่าน้ำภายในเซลล์แพร่ออกนอกเซลล์ในกรณีของเซลล์เม็ดเลือดแดงสารละลายที่เป็นไฮโพทอนิกจะมีความเข้มข้นต่ำกว่าน้ำเกลือ 0.85 % ซึ่งอาจทำให้เซลล์เม็ดเลือดแดงแตกได้
2.ไอโซทอนิก โซลูชัน (isotonic solution) หมายถึง สารละลายนอกเซลล์ที่มีความเข้มข้นเท่ากับเซลล์ ดังนั้นเมื่อใส่เซลล์ในสารละลายชนิดนี้ขนาดของเซลล์จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง เนื่องจากน้ำภายในสารละลายและน้ำจากเซลล์แพร่เข้าออกในอัตราที่เท่าเทียมกัน สารละลายที่เป็นไอโซทอนิกกับเซลล์เม็ดเลือดแดง คือ น้ำเกลือ 0.85 %
3.ไฮเพอร์ทอนิก โซลูชัน (hypertonic solution) หมายถึง สารละลายนอกเซลล์ที่มีความเข้มข้นมากกว่าเซลล์ ดังนั้นเมื่อใส่เซลล์ในสารละลายชนิดนี้จะทำให้เซลล์เหี่ยวลดขนาดลง เรียกว่า เกิดพลาสโมไลซิส (plasmolysis) เนื่องจากน้ำภายในเซลล์แพร่ออกนอกเซลล์มากขึ้น จนถึงจุดอิ่มตัวแล้วจะไม่เพิ่มขึ้น ถึงแม้ว่าจะเพิ่มความแตกต่างของความเข้มข้นให้มากขึ้น ทั้งนี้เนื่องจากโปรตีนที่เป็นตัวพามีอยู่จำกัดและได้ทำนห้าที่ขนส่งสารจนหมดทุกตัวแล้ว การแพร่แบบฟาซิลิเทต นอกจากลำเลียงกลูโคสแล้วยังลำเลียงกรดอะมิโนและคาร์บอนไดออกไซด์ที่อยู่ในรูปของไฮโดรเจน คาร์บอเนตไอออน (HCO- ) ได้ด้วย

isotonic solution hypertonic solution hypotonic solution
เซลล์พืชมีผนังเซลล์ ดังนั้น เมื่อเซลล์พืชอยู่ในสารละลายไฮโพทอนิก เซลล์พืชจะไม่แตก แต่เซลล์พืชจะเต่งขึ้น เพราะว่าผนังเซลล์พืชมีแรงดันด้านเอาไว้ ซึ่งเรียกว่า wall pressure แต่เมื่อเซลล์พืชอยู่ในสารละลายไฮเพอร์ทอนิก เซลล์พืชจะเสียน้ำให้สารละลายไฮเพอร์ทอนิก ถ้าเสียน้ำออกมาเรื่อย ๆ จะทำให้โพรโทพลาซึมหดตัวลงมาก ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์แยกออกจากผนังเซลล์ และหดตัวลง ถ้าหากเสียน้ำมาก ๆ จะทำให้เห็นเยื่อเซลล์และโพรโทพลาซึมเป็นก้อนกลม ๆ อยู่กลางเซลล์
ออสโมซิสที่เกิดจากสารละลายไฮโพทอนิกนอกเซลล์ ทำให้น้ำผ่านเข้าไปในเซลล์และเซลล์เต่งขึ้น หรือเซลล์แตก เรียกว่า เอนโดสโมซิส (endosmosis) หรือพลาสมอพทิซิส (plasmoptysis) สำหรับออสโมซิสที่เกิดจากสารละลายไฮเพอร์ทอนิก นอกเซลล์แล้ว ให้น้ำผ่านออกนอกเซลล์ ทำให้เซลล์เหี่ยว เรียกว่า เอโซสโมซิส (exosmosis) หรือพลาสโมไลซิส